ارزیابی تغییرات کانی‌شناسی رسوبات متأثر از معدن مس درآلو، جنوب کرمان: کاربردی جهت مطالعات زیست‌محیطی

مقدمه

با افزایش روزافزون جمعیت جهان، نیاز به تولید و مصرف مواد معدنی نیز افزایش می‎‍یابد. در این میان، کشورهای در حال توسعه با شتاب بیشتری، برای استفاده از منابع زیرزمینی و معدنی و تولید ثروت از آنها می‌کوشند. بدون شک تولید زهاب اسیدی معدن (Acid Mine Drainage; AMD)، ناهنجارترین مشکل زیست‎‍محیطی است که در معادن سولفید فلزی به‌دلیل حجم بالای باطله‎‍های سولفیدی و ایجاد شرایط مناسب برای اکسایش کانی‌های سولفیدی، ایجاد می‎‍شود (Akcil and Koldas 2006; Wu et al. 2009; Skousen et al. 2018; Kaur Brar et al. 2022). زهاب اسیدی ازطریق اسیدی‌کردن آب و حمل غلظت‎‍های بالای عناصر سمی، تعادل ژئوشیمیایی عناصر را در مناطق تحت تأثیر معدنکاری برهم می‌زند و سبب اختلال در اکوسیستم‎‍های حیاتی و خارج‌شدن آنها از ساختار طبیعی خود می‎‍شود. معدن مس درآلو نیز که یکی از معادن مهم مس در استان کرمان محسوب می‎‍شود، از این امر مستثنا نیست. نظر به اینکه رودخانه‎‍های فصلی و دائمی مختلفی از ارتفاعات موجود در محدودۀ معدن مس درآلو، سرچشمه گرفته‌اند و این رودها از مهم‌ترین منبع آب مصرفی و نیروی حمل و نقل رسوبات در منطقه به شمار می‎‍روند، بنابراین در صورت ورود آلاینده‌ها به محیط آبی رودخانه، آنومالی‎‍های غیرطبیعی هر دو بخش رسوب و آب را تحت تأثیر آلودگی قرار می‌دهند (Houng and Lin 2003; Bavi et al. 2023). رسوب به‌عنوان یک سیستم ژئوشیمیایی گسترده، نقش مهمی در فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی حاصل از زهاب اسیدی دارد. مهم‌ترین تحولات شیمیایی که می‎‍تواند در بدنۀ رسوبات رخ دهد، شامل جذب (Absorption)، رهاسازی (Release)، اکسیداسیون (Oxidation) و احیا (Reduction) است. این فرآیندها بر روند انتقال، تحرک و زیست‎‍دسترس‎‍پذیری عناصر، تأثیر مستقیم دارند (Tumuklu et al. 2007; Hahn et al. 2019). عملیات معدنکاری و استخراج سنگ معدن سولفیدی، سبب اکسیدشدن مجموعه‎‍ای از کانی‌های سولفیدی (پیریت و کالکوپیریت) می‎‍شود (Woo and Choi, 2001; Milu et al. 2002; Sinclair 2007 )؛ این امر در صورت حضورنداشتن کانی‌های بافرکننده، سبب آزادسازی آب‌های اسیدی حاوی مقادیر بالای سولفات، عناصر بالقوۀ سمی، شبه‎‍فلزات و غیرفلزات به سامانه‎‍های اطراف (سامانۀ آبی و رسوبات) می‎‍شود (Lee et al. 2003). با وجود این، بخش رسوبات به‌دلیل جذب آلاینده‎‍ها از محیط آب، می‌تواند غلظت آلاینده‌ها، به‌ویژه عناصر بالقوۀ سمی بیشتری را در ساختار کانیایی خود متمرکز کند؛ به همین علت، بررسی کانی‎‍شناسی و غلظت عناصر در رسوبات بستر یک رودخانه، بهتر از محیط آب، می‌تواند شدت آلودگی را آشکار کند (Lai et al. 2013). مطالعات بسیاری بر کانی‎‍شناسی رسوبات و نیز به شواهد تشکیل کانی‌های ثانویه از زهاب‌های اسیدی معادن سولفیدی اشاره دارد که در معرض عوامل اکسایشی قرار دارند (Alpers et al. 1994; Evangelou 1995; Nordstrom and Alpers 1999; Plumlee 1999; Jambor et al. 2000; Verplanck et al. 2009; Khorasanipour and Rashidi 2019 ). بسیاری از محققان، نقش کانی‌های ثانویه را در آزادسازی اسید و عناصر بالقوۀ سمی و ارزیابی درجۀ آلایندگی رسوبات را مطالعه کرده‌اند (Cravotta 1994; Jambor et al. 2000; Giere et al. 2003; Bowell and Parshley 2005; Elisa et al. 2006).

این پژوهش، با توجه به احساس نیاز در محدودۀ معدنکاری معدن مس درآلو، سعی کرده است تا با مطالعه و بررسی کانی‎‍شناسی رسوبات سطحی محدودۀ معدنکاری و دره‎‍های منتهی به معدن درآلو، تأثیر فعالیت‌های معدنکاری را شناسایی و ارزیابی کند که بی‌شک در طول زمان، بر رسوبات طبیعی منطقه تحمیل می‎‍شود. تعیین نقش این رسوبات در جذب عناصر بالقوۀ سمی و بررسی پتانسیل و شرایط رهاسازی عناصر از رسوب و ورود آنها به آب، به‌عنوان عامل تهدیدکنندۀ حوضۀ آبریز، اهمیت بالایی دارد. این امر در توسعۀ راهبردی حوضۀ آبریز، با توجه به حفظ کیفیت آب شرب و کشاورزی روستاهای پایین‌دست (سرمشک و گونکاف، چهارطاق و روستاهای اطراف) اهمیت بالایی دارد. درنهایت با استفاده از نتایج به دست آمده از این مطالعه، برنامه‌های مدیریتی لازم در توسعۀ پایدار و حفظ محیط‌زیست این حوضه اجرایی خواهد شد.

زمین‌شناسی ناحیۀ مطالعه‌شده

محدودۀ کانسار درآلو ازنظر ساختاری در بخش جنوب ‎‍شرقی کمان ماگمایی ارومیه-دختر، در زیر پهنۀ آتشفشانی-نفوذی دهج-ساردوئیه قرار دارد (شکل 1). قدیمی‎‍ترین واحدهای سنگی محدودۀ مطالعاتی معدن درآلو، سن ائوسن دارند. این واحدها همگی لیتولوژی آذرآوری و آتشفشانی دارند. نتایج مطالعات سنگ‌های آتشفشانی ائوسن و توده‎‍های نیمه‌عمیق واجد کانی‎‍سازی مس، نشان می‎‍دهد سنگ‌های آتشفشانی مذکور Tترکیب عمدتاً آندزیتی و داسیت آندزیتی دارند و در سری سنگ‌های کالکوآلکالن قرار می‎‍گیرند؛ این در حالی است که توده‎‍های نیمه‎‍عمیق، عمدتاً ترکیب گرانودیوریتی تا تونالیت دارند (Bavi 2021). واحدهای سنگی ائوسن معمولاً توسط توده‎‍های گرانودیوریت-داسیتی و دیوریتی به‌عنوان سنگ میزبان کانی‎‍سازی، قطع شده‎‍اند. کانسار مس پورفیری درآلو ویژگی‎‍های کانسارهای پورفیری حاشیۀ فعال قاره‎‍ای نوع آند با 4 زون آلتراسیون از قبیل فیلیک، پتاسیک، آرژیلیک و پروپیلیتیک را نشان می‎‍دهد که در این میان، فیلیکی‎‍شدن و بعد از آن رسی‎‍شدن از توسعه و گسترش بیشتری برخوردار است (Alimohamadi et al. 2015). کانی‎‍سازی مس به‌صورت افشان یا متمرکز در شبکۀ رگچه‎‍های سیلیسی در بخش‎‍های دگرسان‌شدۀ فیلیک، توده‎‍های نیمه‎‍عمیق و سنگ‌های در بر گیرندۀ آن ایجاد شده است. جوان‌ترین واحدهای سنگی محدودۀ معدن درآلو، رسوبات غیرمنسجم به سن کواترنری‌اند. این رسوبات به 3 گروه پادگانه‎‍ها، رسوبات مخروط‌افکنۀ قدیمی و رسوبات واریزه‎‍ای تفکیک‌شدنی‌اند (Heydarian 2000). سنگ میزبان کانی‎‍سازی مس در کانسار درآلو، یک تودۀ گرانودیوریتی است. این تودۀ نیمه‌عمیق کانه‎‍دار به‌صورت یک بیضی با قطر بزرگ 1000 متر و قطر کوچک 350 تا 400 متر در امتداد شمال ‎‍غرب-جنوب ‎‍شرق (N60W)، تاقدیس ملایمی را تشکیل داده است که بخش گرانودیوریتی در هستۀ آن قرار دارد. جایگزینی تودۀ مذکور هم‌زمان با تکتونیک انجام شده است.

روش مطالعه

پس از شناسایی مقدماتی منطقه، سیستم نمونه‎‍برداری از محیط رسوبی به‌گونه‎‍ای انتخاب شد که ضمن در بر گرفتن کلیۀ اهداف نمونه‎‍برداری، حداکثر دقت و حداقل خطا را در جمع‎‍آوری نمونه‎‍ها داشته باشد. در این پژوهش، عملیات نمونه‎‍برداری 31 نمونه رسوب (27 نمونه رسوب + 4 نمونه رسوب تکراری) بر مبنای شرایط میدانی در فصل خشک انجام شده است. نمونه‎‍های رسوبی از بستر انواع رودخانه‎‍ها و آبراهه‎‍های اصلی و فرعی طبیعی منطقه گرفته تا رسوبات آبراهه‎‍های منتهی به معدن و حتی رسوبات تبخیری حاشیۀ آبراهه‎‍ها و پهنه‎‍های موجود در محدودۀ معدن برداشت شده‎‍اند. با توجه به نقش فعال ذرات ریز و کانی‌های رسی در فرآیند جذب و رهاسازی (بازجذب) عناصر سمی، برای آنالیزهای کانی‎‍شناسی در نمونه‎‍های رسوب، تنها ذرات با قطر کمتر از 63 میکرون در اندازۀ سیلت و رس انتخاب شدند. برای نمونه‎‍برداری از محیط رسوبی، در هر ایستگاه رسوب سطحی (cm20 -0) بستر آبراهه‎‍ها به میزان تقریبی 5 کیلوگرم جمع‎‍آوری و مشخصات و محل نمونه‎‍برداری ثبت شد. نمونه‎‍های رسوب بعد از نمونه‎‍برداری به آزمایشگاه دانشگاه شهید باهنر کرمان و گروه زمین‎‍شناسی منتقل و در دمای اتاق خشک شدند. این نمونه‎‍ها پس از خشک‌شدن الک و برای انجام آنالیز و شناسایی فازهای کانیایی به روش کیفی XRD (X-Ray Diffraction)، به آزمایشگاه زرآزما در تهران ارسال شدند.

نمونه‎‍های رسوب از 27 ایستگاه در قالب 7 گروه به شرح زیر برداشت شده‎‍اند:

1- نمونه‎‍های رسوب طبیعی از حوضۀ چهارطاق و پایین‌دست سد رسوب‌گیر (S1-S5)؛

2- نمونه‎‍های رسوب آبراهه‎‍های طبیعی منتهی به معدن (S6-S18)؛

3- رسوبات آبراهۀ درۀ سرمشک، قبل و بعد از تلاقی با مسیر آبراهۀ پایین‎‍دست معدن (S19-S20)؛

4- رسوبات دره‎‍های مجاور دامپ‎‍های سنگ باطله (S21-S22)؛

5- رسوبات حاوی فازهای کانیایی ثانویه (سبز-آبی) موجود در خروجی زهاب دامپ سنگ باطلۀ کم‌عیار و آبراهۀ خروجی از محدودۀ معدن (S23-S25)؛

6- نمونه‎‍های رسوب حاوی اکسیدهای آهن از محدودۀ معدن و آبراهه‎‍های حاشیۀ معدن (S26-S29)؛

7- نمونه‎‍های رسوب تبخیری در محدودۀ پله‎‍های معدن و مسیر آبراهۀ طبیعی در محدودۀ کانه‎‍زایی طبیعی در پایین‎‍دست معدن (S30-S31).

از تعداد 31 نمونه رسوب برداشت‌شده، 4 نمونه برای کنترل دقت آنالیز‎‍ها تکرار شدند. شکل1 موقعیت نمونه‎‍های رسوب برداشت‌شده از محدودۀ مطالعاتی را نشان می‎‍دهد.

شکل 1- نقشۀ زمین‌شناسی منطقۀ مطالعه‌شده (بخشی از نقشه 1:100000 ساردوئیه، Zolanj et al. 1972) و موقعیت نمونه‌برداری از سامانۀ رسوبی در منطقۀ مطالعه‌شده

Fig 1- Geological divisions of the volcanic-sedimentary belt of Dehj-Sarduiyeh in Kerman province (Zolanj et al. 1972) and the sampling location of the sedimentary system in the study area

نتایج

کانی‎‍شناسی رسوبات، نقش برجسته‎‍ای در شناسایی پتانسیل پاک‌سازی طبیعی آلودگی‌ها دارد (Song et al. 2011) .تعیین 19 کانی در نمونه‎‍های رسوب برداشت‌شده در فصل خشک، به‌خوبی مؤید تنوع در ترکیب کانی‎‍شناسی آنهاست. بسیاری از کانی‌های شناسایی‌شده (برای مثال کانی‌های خانوادۀ کوپیاپیت)، جزء کانی‌های کمیاب و مختص مناطق دارای کانه‎‍زایی سولفیدی‌اند. نکتۀ مهم‌تر اینکه هریک از کانی‌های شناسایی‌شده، پتانسیل آثار زیست‎‍محیطی متفاوتی دارند که به‌شدت از ماهیت منشأ آلودگی تأثیر می‎‍گیرند. اقلیمی که معدن مس درآلو در آن واقع شده است (خشک تا نیمه‌خشک)، شرایط تشکیل انواع متنوعی از ساختارهای کانی‎‍شناسی را به‌صورت کانی‌های تبخیری و ثانویه فراهم کرده است؛ از سوی دیگر، تنوع در منابع آلودگی آب و رسوب (کانه‎‍زایی‎‍های طبیعی و آلودگی‎‍های معدنکاری) نیز سبب حضور طیف وسیعی از کانی‌ها در نمونه‎‍های رسوب می‎‍شود. در این پژوهش؛ با استناد بر نتایج مطالعات اخیر در زمینۀ درجۀ آلودگی رسوبات براساس شاخص‌های مختلف زیست‎‍محیطی (Bavi et al. 2023) و توجه به ماهیت هریک از ساختارهای کانی‎‍شناسی و همچنین به‌منظور تسهیل در فرآیند تحلیل نتایج بر مبنای آثار زیست‎‍محیطی، کانی‌های شناسایی‌شده در پنج گروه اصلی، شامل کانی‌های اولیه و دگرسان‌نشده، کانی‌های کربناته، کانی‌های رسی، کانی‌های سولفاته و کانی‌های اکسیدی رده‎‍بندی شده‎‍اند، همچنین حضور آنها در منابع متنوع آلودگی، ارزیابی و سپس نقششان در مطالعات زیست‎‍محیطی بررسی شده است.

جدول 1- نتایج آنالیز کانی‎‍شناسی نمونه‎‍های رسوب

Table 1- Results of mineralogical analysis of sediment samples

کانی‌های با منشأ لیتوژنیک

کانی‌های کوارتز، آلبیت، ارتوکلاز و هورنبلند مهم‌ترین کانی‌های اولیه با منشأ لیتوژنیک در نمونه‎‍های رسوب معدن مس درآلو هستند. از بین این کانی‌ها، کوارتز به‌عنوان کانی اولیه و بسیار پایدار در تمام نمونه‎‍های رسوب برداشت‌شده (ازجمله نمونه‎‍های حوضۀ چهارطاق به‌عنوان نمونه‎‍های زمینۀ طبیعی و نمونه‎‍های محدودۀ معدن و دره‎‍های اطراف معدن که متأثر از فعالیت‌های معدنکاری قرارگرفته‎‍اند)، شناسایی شده است (شکل 2). کانی آلبیت که از کانی‌های با قابلیت دگرسانی بالا به شمار می‎‍آید، در بیشتر نمونه‎‍ها به‌صورت کانی اصلی و در برخی از نمونه‎‍های متأثر از فعالیت‌های معدنکاری به‌صورت کانی فرعی دیده می‎‍شود. کانی ارتوکلاز نیز به‌عنوان یک کانی اولیه در تمام نمونه‎‍های رسوبی، به‌صورت فاز فرعی مشاهده می‎‍شود. کانی هورنبلند تنها در دو نمونه رسوب طبیعی برداشت‌شده از دره‎‍های اطراف معدن (S8 و S11) دیده می‎‍شود. حضور این کانی در سنگ‌های آذرین منطقه (آندزیت و بازالت) کاملاً طبیعی است (Bavi 2021).

کانی‌های کربناته

کانی‌های کلسیت (Cacite, CaCO₃) و سیدریت (Siderite, FeCO₃) تنها کانی‌های کربناتۀ شناسایی‌شده در نمونه‎‍های رسوب برداشت‌شده از محدودۀ مطالعاتی‌اند. کانی کلسیت در اغلب نمونه‎‍های رسوب برداشت‌شده به‌صورت فاز اصلی کانی‎‍شناسی (رسوبات طبیعی دره‎‍های اطراف معدن و زیر دامپ باطلۀ کم‌عیار) و به‌ندرت به شکل فاز فرعی (نمونه‎‍های طبیعی حوضۀ چهارطاق و دره‎‍های اطراف معدن) دیده می‎‍شود (شکل 2). با وجود این، این کانی در بیشتر نمونه‎‍های آهن‎‍دار و تبخیری، که از محدودۀ معدن و آبراهه‎‍های منتهی به معدن برداشت شده‎‍اند، دیده نمی‎‍شود. سیدریت نیز تنها در نمونۀ S26 و نمونۀ تکراری آن یعنی S27 مشاهده شده و از رسوبات آهن‎‍دار محدودۀ معدن برداشت شده‎‍ است.

کانی‎‍های رسی

شش کانی کلریت، موسکوویت–ایلیت، کائولینیت، ایلیت، مونتموریونیت و کلینوپتیلولیت (نوعی زئولیت)، مهم‌ترین کانی‌های حاصل از دگرسانی شناسایی‌شده در نمونه‎‍های رسوب‌اند. از بین این شش کانی، به ترتیب سه کانی مسکوویت–ایلیت، کلریت و کائولینیت بیشترین فراوانی را دارند. کانی مسکوویت–ایلیت بیشتر به‌عنوان کانی اصلی و کلریت و کائولینیت بیشتر به‌صورت فاز فرعی در رسوبات دیده می‎‍شوند.

کانی‎‍های تبخیری و ثانویۀ سولفاته

در آنالیز کانی‎‍شناسی رسوبات، انواع متعددی از کانی‌های ثانویه در زون اکسیدی و محیط‎‍های پیرامون زهاب اسیدی شناسایی شدند. هرچند تشکیل کانی‌های ثانویه قبل از فرآیند معدنکاری و در اثر هوازدگی طبیعی سنگ‌های سولفیدی نیز رخ می‌دهد (Hammarstrom et al. 2003; Hammarstrom et al. 2005)، به نظر می‎‍رسد که تشکیل این کانی‌ها بعد از فرآیند معدنکاری شدت می‎‍یابد (Hammarstrom et al. 2003). حضور انواع فازهای کانی‎‍شناسی ثانویه در اطراف زهکش‎‍های اسیدی به‌صورت رسوبات با تنوع رنگی بالا، شاهد خوبی بر وفور کانی‌های ثانویه است. با توجه به شرایط اقلیمی معدن درآلو، تشکیل این کانی‌ها پاسخی به غلیظ‌شدن آب‌های معدنی در اثر فرآیند تبخیر است؛ زیرا سبب غلیظ‌شدن کاتیون‌ها و آنیون‌ها در آب تا رسیدن آنها به حد اشباع و تشکیل کانی‌های ثانویه می‎‍شود.

 پنج کانی ژیپس (Gypsum, CaSO₄·2H₂O)، کوپیاپیت (Copiapite, Fe²⁺Fe³⁺₄(SO₄)₆(OH)₂·20H₂O )، مگنزیوکوپیاپیت (Magnesiocopiapite, MgFe³⁺₄(SO₄)₆(OH)₂·20H₂O)، استارکیت (Starkeyite, MgSO₄·4H₂O) و ناتروژاروسیت (Natrojarosite, NaFe³⁺₃(SO₄)₂(OH)₆) ازجمله کانی‌هایی‌اند که در ترکیب خود یون سولفات ذخیره کرده‎‍اند. از بین این پنج کانی، ژیپس و استارکیت تنها کانی‌های ثانویه با منشأ تبخیری در نمونه‎‍های رسوب‌اند. کانی ژیپس در گروه‎‍های مختلف رسوبات (رسوبات طبیعی تا رسوبات متأثر از فعالیت‌های معدنکاری) شناسایی شده است. این کانی به‌صورت فاز اصلی (در رسوبات آبراهه‎‍ها و پهنه‎‍های تبخیری محدودۀ معدن) تا کانی فرعی و کمیاب (در رسوبات طبیعی و رسوبات محدودۀ معدن) دیده می‎‍شود؛ دیگر کانی‌های سولفاته با منشأ ثانویه، تنها در نمونه‎‍های رسوبات تبخیری برداشت‌شده‎‍ از حاشیۀ آبراهه‎‍های خروجی از معدن و پهنه‎‍های تبخیری محدودۀ معدن شناسایی شده‎‍اند. کانی استارکیت، در گروه کانی‌های تبخیری با منشأ ثانویه قرار می‌گیرد و از تبخیر آب‌های سطحی حاصل می‎‍شود (Hammarstrom et al. 2003; Sracek et al. 2004).

کانی‌های گروه کوپیاپیت از معدود کانی‌های سولفاتۀ آهن آبدارند که در شرایط به‌شدت اسیدی تشکیل می‎‍شوند (Nordstrom and Alpers 1999)؛ بنابراین حضور این کانی‌ها به‌عنوان فاز اصلی در پهنه‎‍های محدودۀ معدن با pH اسیدی، کاملاً توجیه‎‍پذیر است (Carbone et al. 2013). کانی مگنزیوکوپیاپیت در صورت از دست دادن یون‌های منیزیم و هیدروکسید به کوپیاپیت تبدیل می‎‍شود (Nordstrom and Alpers 1999).

ناتروژاروسیت تنها در یک نمونه از رسوبات تبخیری محدودۀ معدن (S30) به‌عنوان کانی کمیاب شناسایی شده است؛ حضور این کانی نشان‌دهندۀ شرایط تشکیل در اسیدیتۀ نسبتاً بالای زهاب‌های خروجی محدودۀ معدن است (Desborough et al. 2010).

کانی‎‍های ثانویۀ اکسیدی

این گروه شامل دو کانی هماتیت (Hematite, Fe₂O₃) و گوتیت (Goethite, FeO(OH)) است. کانی هماتیت در تمام نمونه‎‍های رسوب برداشت‌شده از حوضۀ چهارطاق و نمونه‎‍های طبیعی دره‎‍های اطراف معدن به‌صورت کانی فرعی دیده می‎‍شود. از سوی دیگر، کانی گوتیت تنها در سه نمونه رسوب متأثر از فعالیت‌های معدنکاری، به‌عنوان کانی فرعی معرفی شده است. این نمونه‎‍ها به ترتیب شامل رسوبات ریزدانۀ زیر دامپ باطلۀ کم‎‍عیار (S22)، رسوبات ژله‎‍ای سبز–آبی در کنار چاه پیزومتر محدودۀ معدن (S23) و رسوبات آهن‌دار محدودۀ معدن (S20) هستند.

شکل 2 نمونه‎‍هایی از نمودار‎‍های XRD مربوط به رسوبات برداشت‌شده از محدودۀ مطالعاتی را نشان می‎‍دهد.

شکل 2- نمونه‎‍هایی از نمودار‎‍های XRD مربوط به رسوبات برداشت‌شده از محدودۀ مطالعاتی (Qtz، کوارتز؛ Alb، آلبیت؛Ort، ارتوکلاز؛ Cal، کلسیت؛ Chl، کلریت؛ Hem، هماتیت؛ Illi، ایلیت؛ Clin، کلینوپتیلولیت Gyp، ژیپس؛ Sta، استارکیت؛ Illi، ایلیت؛Kao، کائولینیت؛ Mon، مونتموریونیت؛ Natro، ناتروژاروسیت؛ Cop-Mag، کوپیاپیت-مگنزیوکوپیاپیت)

Fig 2- Examples of XRD graphs to sediments collected from the study area. (Qtz, quartz; Alb, albite; Ort, orthoclase; Cal, calcite; Chl, chlorite; Hem, hematite; Illi, illite; Clin, clinoptilolite Gyp, gypsum; Sta, starkite; Illi, illite; Kao, kaolinite; Mon, montmorionite; Natro, natrojarosite; Cop-Mag, copiapite-magnesiocopiapite)

بحث

از رسوبات) به‌عنوان یک شناساگر زیست‎‍محیطی)، به‌طور گسترده‎‍ای در شناسایی و مهار آلودگی‎‍های زیست‎‍محیطی استفاده می‎‍شود (Korfali and Davies 2003; Bavi et al. 2023; Jarvie et al. 1997). با توجه به نتایج کانی‌شناسی، مشخص شد رسوبات مختلف با کانی‎‍شناسی متفاوت، شدت آثار زیست‎‍محیطی متفاوتی نیز خواهند داشت. هریک از ساختارهای کانی‎‍شناسی اولیه و ثانویه در کوتاه‎‍مدت و بلند‎‍مدت، آثار زیست‎‍محیطی متفاوتی بر اکوسیستم‎‍های حیاتی اطراف نشان خواهند داد؛ برای مثال حضور کانی‌های سیلیکاتی مانند آلبیت و ارتوکلاز به‌عنوان کانی‌های اصلی در ترکیب رسوبات زمینۀ طبیعی و آبراهه‎‍های منتهی به معدن، از دیدگاه زیست‎‍محیطی حائز اهمیت و نشان‌دهندۀ درجۀ پایین هوازدگی شیمیایی، به‌ویژه در حوضۀ آبریز چهارطاق است؛ از این رو بر محیط رسوب‌گذاری رودخانه‎‍ها و آبراهه‎‍های منطقه، شرایط پایداری طبیعی حاکم است که با تشدید شرایط هوازدگی، فلدسپات‌ها شروع به هوازدگی شیمیایی می‌کنند و به کانی‌های رسی تجزیه می‎‍شوند. آلبیت و ارتوکلاز به‌عنوان ترکیباتی که بخش مهمی از پوستۀ زمین را تشکیل داده‎‍اند، یکی از مخازن مهم ظرفیت بافری در محیط‌زیست، به‌ویژه در مناطق معدنی به شمار می‎‍آیند (Korfali and Davies 2003). این کانی‌ها ازطریق هوازدگی متجانس و یا نامتجانس، با مصرف یون‌های H⁺ و یا تولید یون‌های بیکربنات، نقش مهمی در کاهش اسیدیتۀ محلول‎‍های هوازدگی و افزایش قدرت جذب عناصر بالقوۀ سمی دارند (Lottermoser 2003). رخنمون‌های زون پتاسیک در منطقه، با داشتن کانی‌های فلدسپار پتاسیم، می‎‍تواند نقش مؤثری در مصرف بخشی از اسید زهاب معدن و یا دامپ‌های سنگ باطله داشته باشد (Shahabpour and Doorandish 2008). نکتۀ دیگر اینکه برخی محصولات هوازدگی کانی‌های آلبیت و ارتوکلاز، مانند کانی‌های رسی نیز ممکن است هوازدگی بیشتری را متحمل شوند و با انحلال خود، یون‌های H⁺ بیشتری مصرف کنند (Lottermoser 2003). منشأ کانی کوارتز در رسوبات، زون دگرسانی کوارتز-سریستی موجود در معدن است (Shahabpour and Doorandish 2008). کانی‌های خانوادۀ کوارتز (کوارتز، کلسدونی و اوپال) در طی فرآیند هوازدگی، توانایی مصرف یون‌های هیدروژن را ندارند و تنها اسید سیلیسیک تولید می‎‍کنند (Lottermoser 2003). حضور کانی‌های کربناته ازجمله کلسیت در کنار کانه‎‍زایی سولفیدی در رسوبات محدودۀ معدن مس درآلو (رسوبات برداشت‌شده از زیر دامپ باطلۀ کم‌عیار، بعد از کانال آهکی احداث‌شده برای تصفیۀ زهاب اسیدی، S21)، عامل مؤثری در خنثی‎‍سازی زهاب حاصل از اکسایش کانی‌های سولفیدی خواهد بود. این شواهد نشان می‎‍دهد احداث کانال‌های آهکی در مسیر زهاب‌های اسیدی خارج‌شده از دامپ‌های سنگی، سبب کاهش شدید اسیدیتۀ محیط می‌شود و از گسترش آثار نامطلوب کانی‎‍سازی سولفاته در فصل خشک جلوگیری می‌کند. این کانی مهم‌ترین کانی خنثی‌کنندۀ اسید است که در کاهش درجۀ اسیدیتۀ آب بین روزنه‎‍ای رسوبات، که به‌دنبال اکسایش کانی‌های سولفیدی موجود در آنها به وجود آمده است، نقش مؤثری دارد و برای افزایش قدرت جذب عناصر بالقوۀ سمی توسط رسوبات، شرایط محیطی را آماده می‌کند (Skousen et al. 2000; García-Valero et al. 2020). در محدودۀ معدنکاری معدن مس درآلو، کانی کلسیت ازطریق انحلال و تشکیل کمپلکس با یون H⁺ (آزادشده از اکسیداسیون کانی‌های سولفیدی) به‌صورت بیکربنات (HCO₃^-) و یا اسید کربنیک (H₂CO₃)، سبب خنثی‌سازی اسید می‎‍شود (Blowes and Ptacek 1994; Stumm and Morgan 1995). بسته به pH محلول‎‍های هوازدگی، یون H⁺ یا از راه تشکیل بیکربنات در محیط‎‍های اندکی اسیدی تا قلیایی و یا از راه تشکیل اسید کربنیک در محیط‎‍های به‌شدت اسیدی مصرف می‎‍شود (Brookins 1988). کانی سیدریت همانند کلسیت به‌عنوان کانی اصلاح‌کننده در خنثی‎‍سازی اسید ناشی از اکسیداسیون کانی‌های سولفیدی، در نهشته‎‍های آهن‌دار (S28 و S29) شناخته شده است. کانی‌های رسی به‌ویژه محدودۀ فعالیت‌های معدنی، یکی از منابع خنثی‎‍سازی زهاب اسیدی‌اند که ازطریق تبادل کاتیونی و یا جذب سطحی (بارهای منفی موجود در سطح آنها)، قادر به خارج‌کردن عناصر بالقوۀ سمی از زهاب‌های آلوده‌اند (Ren et al. 2023). از طرفی در اثر هوازدگی، کانی‌های رسی موجود یون‌های H⁺ مصرف می‌شود و اسیدیتۀ زهاب معدن کاهش می‎‍‎‍یابد (Elghali et al. 2021).

با توجه به اینکه در نمونه‎‍برداری از رسوبات منطقۀ مطالعه‌شده، توجه ویژه‎‍ای به بخش تبخیری، هوازده و فازهای ثانویه شد، طیف وسیعی از کانی‌های ثانویه و تبخیری در آنالیز XRD نمونه‎‍ها شناسایی شدند. بسیاری از این کانی‌ها، جزء کانی‌های بسیار کمیاب و نادرند که با توجه به شرایط اقلیمی حاکم بر منطقه، در بخش خشک‌شدۀ آبراهه‎‍ها و پهنه‎‍های محدودۀ معدن تشکیل شده‎‍اند. این کانی‌ها در روند تغییرات هیدروژئوشیمیایی منابع آب مرتبط با این آبراهه‎‍ها و پهنه‎‍های تبخیری نقش بسزایی داشتند و باعث ایجاد شرایط به‌شدت اسیدی در مواقع بارندگی و سیلابی در فصل زمستان شدند. نهشته‎‍های تبخیری محدودۀ معدن و ته‎‍نشست‌های نمکی حاشیۀ آبراهه‎‍های منتهی به معدن که به‌صورت پهنه‎‍های وسیعی گسترش یافته‎‍اند، بیشترین درصد کانی‌های ثانویه (ازجمله ژیپس، استارکیت، کوپیاپیت، مگنزوکوپیاپیت و ناتروژاروسیت) را دارند. به عبارت دیگر حدود 67درصد ترکیب کانی‎‍شناسی این رسوبات، از کانی‌های ثانویه تشکیل شده است؛ این امر نشان‌دهندۀ ترکیب سولفاتۀ آب‌هایی است که در محدودۀ معدن جاری شده است. در اثر تبخیر این آب‌های سولفاته، کانی‌های تبخیری و ثانویه با ترکیبات مختلف نهشت پیدا می‎‍کنند (Hammarstrom et al. 2005; Hammarstrom et al. 2003). این رسوبات با تنوع رنگی بسیار بالا، از شیری‌رنگ تا زردرنگ و بعضاً به رنگ سبز تا قهوه‎‍ای کم‌رنگ مشاهده می‎‍شوند که نشان‌دهندۀ حضور فازهای ثانویه با ترکیبات متفاوت در این رسوبات است. وسعت و حجم گسترش این نهشته‎‍ها در فصل خشک، به‌دلیل تبخیر زیاد در منطقه، بسیار بالاست. حضور کانی‌های گروه کوپیاپیت، گواه بر شرایط اسیدی حاکم بر محیط رسوب‌گذاری این کانی‌هاست (Carbone et al. 2013). سولفات کلسیم آبدار (ژیپس) یکی دیگر از کانی‌های تبخیری شاخص در محیط‎‍های زهاب اسیدی محسوب می‎‍شود (Carbone et al. 2013). تشکیل کانی استارکیت نشان‎‍دهندۀ شرایط شدید تبخیری و حضور ترکیبات سولفیدی آهن‎‍دار است (Sracek et al. 2004)؛ از این رو حضور این کانی در نمونه‎‍های رسوب تبخیری برداشت‌شده از آبراهه‎‍ها و پهنه‎‍های محدودۀ معدن، امری طبیعی به شمار می‎‍آید. با توجه به اینکه عنصر آهن به‌دلیل تحرک‎‍پذیری پایین، بیشتر در نهشته‎‍های تبخیری هوازده رسوب می‌کند (Carbone et al. 2013)، این شرایط سبب شده است که کانی ناتروژاروسیت بیشتر در بخش هوازدۀ رسوبات تبخیری تشکیل شود (Desborough et al. 2010; Carbone et al. 2013). وفور یون Na⁺ در منابع آب محدودۀ معدن، شرایط مناسبی را برای تشکیل کانی ناتروژاروسیت فراهم آورده است (Bavi 2021). سدیم مورد نیاز برای تشکیل این کانی، به احتمال زیاد از هوازدگی کانی آلبیت آزاد می‎‍شود که یک کانی معمول در سنگ‌های حد واسط و اسیدی، نظیر توده‎‍های نفوذی مرتبط با کانه‎‍زایی مس پورفیری محسوب می‌شود (Desborough et al. 2010). حضور کانی‌های ناتروژاروسیت و گوتیت در فازهای ثانویۀ رسوبات، معرف کانسارسازی پیریت–کالکوپیریت است (Mombeini 2015). کانی‌های ثانویۀ موجود در نمونه‎‍ها، ازنظر پایداری و به‌ویژه انحلال‎‍پذیری، تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند؛ از این رو، در ارزیابی آثار زیست‎‍محیطی کانی‌های سولفاته، باید به این نکته نیز توجه داشت که برخی کانی‌های سولفاتۀ سادۀ آبدار (Simple hydrous metal sulfates)، مانند ژیپس با درجۀ انحلال بالا، به‌راحتی در آب حل می‌شوند و عناصر بالقوۀ سمی را که با خود حمل کرده‎‍اند، آزاد و وارد بخش محلول می‎‍کنند (Lottermoser 2003)؛ این امر سبب انتشار آلودگی به‌وسیله آب‌ها می‎‍شود. حضور فعال کانی ژیپس در رسوبات ژله‎‍ای سبز-آبی برداشت‌شده از محدودۀ معدن (S23-S25) و درجۀ آلودگی بسیار بالا تا خطرناک (Bavi et al. 2023) این رسوبات، گواهی بر ذخیرۀ موقت H⁺ و عناصر بالقوۀ سمی در ساختار کانی‎‍شناسی ژیپس است؛ در حالی که بسیاری از فازهای کانیایی ثانویه با درجۀ انحلال پایین، مانند نمک‌های سولفاته حاوی Fe²⁺، Mn²⁺، Fe³⁺و Al³⁺ (برای مثال کانی استارکیت، کوپیاپیت، مگنزیوکوپیاپیت و ناتروژاروسیت) تقریباً نامحلول‎‍اند (Lottermoser 2003) و به‌راحتی قادر به آزادکردن H⁺ و عناصر بالقوۀ سمی به سامانۀ آبی نیستند. حضور این کانی‌های با شدت انحلال کمتر در رسوبات تبخیری برداشت‌شده از مسیر آبراهه‎‍های طبیعی منتهی به معدن (S17 و S18) و پهنه‎‍های تبخیری در پله‎‍های معدن (S23-S25)، با درجۀ آلودگی بسیار بالای این رسوبات مطابقت دارد (Bavi et al. 2023)؛ مطالعات قبلی، مشابه یافته‎‍های کانی‎‍شناسی و اثر آنها در درجۀ آلودگی رسوبات را تأیید می‌کند (Cravotta 1994; Plumlee 1999; Nordstrom and Alpers 1999; Lottermoser 2003; Khorasanipour and Rashidi 2019).

هماتیت و گوتیت از اکسیدهای پایدار آهن به شمار می‎‍آیند که سطح جذب فعالی دارند و در نهشته‎‍های گوسان، پله‎‍های معدن و زیر نهشته‎‍های تبخیری گسترده در محدودۀ معدن مشاهده و برداشت شده‎‍اند. این نهشته‌ها به رنگ قرمز تا قهوه‌ای تیره دیده می‎‍شوند که نشان‌دهندۀ حضور درصد بالای ترکیبات هیدروکسیدی آهن‌دار است. کانی‌های آهن‌دار موجود در این رسوبات، قابلیت جذب بالای کاتیون‌ها و آنیون‌ها را از محیط پیرامون دارند (Carbone et al. 2013)؛ از این رو، این کانی‌ها در حفاظت از محیط‌زیست، جذب عناصر بالقوۀ سمی از محیط‎‍های آبی و آبراهه‎‍های منتهی به معدن و کاهش غلظت آنها در فاز محلول، کاربرد بالقوه‎‍ای دارند؛ همچنین نشان‌دهندۀ هوازدگی شیمیایی طبیعی منطقه‌اند و جایی‌ دیده می‌شوند که هنوز فعالیت‌های معدنکاری، تأثیر چشمگیری ندارد.

نتیجه‎‍

کانی‌های سولفیدی مهم‌ترین منشأ تولید زهاب اسیدی‌اند که بسته به ترکیب سنگ و یا رسوبات میزبان این کانی‌ها، به‌ویژه ازنظر حضور کانی‌های خنثی‎‍کنندۀ اسید و همچنین شرایط هوازدگی و اکسایش محیط، می‎‍توانند در یک دورۀ زمانی مداوم، سبب تولید اسید و آزادسازی عناصر بالقوۀ سمی شوند. در منطقۀ مطالعه‌شده، طیف وسیعی از کانی‌های تبخیری و ثانویۀ سولفاتی، اکسیدی، هیدروکسیدی، کربناته و سیلیکاته در رسوبات طبیعی و متأثر از فعالیت‌های معدنکاری شناسایی شدند. از این نظر، رسوبات تبخیری حاشیۀ زهاب اسیدی پله‎‍های معدن، بیشترین مقدار کانی‌های ثانویه را به خود اختصاص داده‎‍اند؛ بنابراین به نظر می‌رسد در طی فصول گرم سال، هم‌زمان با کاهش شدید نزولات جوی و افزایش سطح تبخیر بسیاری از املاح موجود در آب، به سطح اشباع خود برای تشکیل انواع کانی‌های ثانویه می‎‍رسند. تشکیل این رسوبات تنها به‌طور موقتی سبب ذخیرۀ عناصر سمی و یون H⁺ می‎‍شود؛ بنابراین به‌عنوان یک فرآیند پاک‌سازی و مسمومیت‎‍زدایی طبیعی، در جلوگیری از تحرک و انتقال عناصر بالقوۀ سمی به محیط‌زیست، نقش مهمی دارند. از طرفی با شروع فصل بارش، به‌ویژه در اولین بارندگی سیلابی آلودگی، آب به‌شدت افزایش خواهد یافت؛ اما با تکرار بارندگی در ادامۀ فصل پرآب، از شدت آلودگی کاسته خواهد شد. چنین چرخه‎‍ای از انتقال آلودگی در محیط آب و رسوب، در هر سال آبی تکرار خواهد شد.

تشکر و قدردانی

پژوهش حاضر بخشی از رسالۀ دکتری نویسندۀ اول است؛ از این رو از تمام همکاری‌های علمی و حمایت‌های معنوی و مادی گروه زمین‎‍شناسی دانشگاه فردوسی مشهد، از طریق کمک هزینۀ شمارۀ 50311/3 تشکر و قدردانی می‎‍شود. بی‎‍شک این تحقیق بدون حمایت‌های بخش تحقیق و توسعۀ صنایع مس سرچشمه، قابلیت اجرایی پیدا نمی‎‍کرد؛ از این رو از مدیریت و کارشناسان محترم مجتمع مس سرچشمه، به‌ویژه آقای دکتر حسن صحرایی و خانم مهندس عصمت اسماعیل‌زاده و از مدیریت و کارشناسان محترم معدن مس درآلو، برای همکاری در نمونه‎‍برداری‎‍ها کمال تشکر را داریم. در پایان از گروه‌های زمین‌شناسی و شیمی دانشگاه شهید باهنر کرمان، برای حمایت‌های علمی و فراهم‌آوردن شرایط ویژه برای نمونه‌برداری و آماده‌کردن نمونه‌ها تشکر می‎‍کنیم.